第三章 电性材料

施主杂质为电离时是中性 的，称为束缚态或中性态， 电离后成为正电中心年，称 为离化态。
电离受主 B－
Semiconductor
Chapter Chapter2
Ec EA Ev
E A E A EV
含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主 要是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。
Semiconductor
负电阻温度系数是半导体的特有性质之一。 Semiconductor
Chapter 1
2.
光电导效应是半导体的特有性质之二。 Semiconductor
Chapter 1
3.
整流效应是半导体的特有性质之三。 Semiconductor
Chapter 1
4.
光生伏特效应是半导体的特有性质之四。 Semiconductor
-
空穴； 这个空穴受到的B-束缚很弱， 容易挣脱束缚，成为导电空 穴在晶格中自由运动——杂 质电离；
Semiconductor
Chapter Chapter2 Ⅲ族杂质在硅、锗中电离
时，能够接受电子而产生导 价带空穴 电空穴并形成负电中心，称 为受主杂质或p型杂质。 释放电子的过程叫做受主 电离；
Semiconductor
Chapter Chapter2
Ec ED Ev
ED EC ED
含有施主杂质的半导体，其导电的 载流子主要是电子—N 型半导体， 或电子型半导体。
Semiconductor
Chapter Chapter2
受主杂质和受主能级
以硅中掺硼为例： 形成一个负电中心B 和一个
壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能
转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻 原子运动到更远的原子壳层上去，因而电子可以 在整个晶体中运动，这种现象称为电子的共有化 运动。
Semiconductor
金属中电子的共有化
Chapter Chapter2
四个原子的能级的分裂 八个原子的能级的分裂
e- e- e- e- eY Z C B A X
e- e- e-
e-
e-
Z
C
B
A
X
Y
e- e- e-
e- e-
Semiconductor
Electron / Hole Conductivity
Semiconductor
Electron conduction in n-type semiconductors (and metals)
锗 50Ω · cm 0.66 eV
锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。
硅在太阳能电池上的应用
其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，
单晶硅 多晶硅 非晶硅
由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型 体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部 区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然 涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金 后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。 属网格覆盖p－n结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电 池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保 护膜（如图），将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能 提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是 36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
3.1.3 导体材料 金属：如银、铜、铝等；可用作电缆材料，电池材料，
电机材料，开关材料，辐射屏蔽材料，传感器材料等；导电 系数依次 银---0.016 铜---0.0172 金---0.023 铝---0.028 黄铜---0.067 铁丝---0.1-0.15 锌---0.06 铅---0.21 汞---0.958
Chapter Chapter2
允带：允许被电子占据的能带称为允带，原子壳层中
能带 原子级能 原子轨道 能量E 的内层允带总是被电子先占满，然后再占据能量更高
的外面一层的允带。
{
d
价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子 禁带 允带 能级相对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量的最低的允带称为导带。 p 满带：被电子占满的允许带称为满带； 禁带 空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 s {
{
禁带：允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范 原子能级分裂为能带的示意图
围称为禁带。导带的底能级为Ec，价带的顶能级为Ev， Ec和Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。
Semiconductor
3.1.2 导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释
导体的能带结构： 价带部分填入
价带被填满
金属
Chapter Chapter2
金属、绝缘体、半导体的能带特征
导带
Eg
Eg
价带
金属
绝缘体
半导体 Semiconductor
绝缘体的能带结构：
价带为满带，
禁带较宽 Δ Eg≈3～6 eV
半导体的能带结构：
价带为满带，
禁带宽度 Δ Eg≈0～2 eV
载流子：导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动
（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。
Chapter 1
5.
半
光生伏特效应是半导体的特有性质之四。 Semiconductor
Chapter Chapter2
霍耳效应的应用
判断半导体的导电类型
测定载流子浓度、迁移率、电导率 霍尔器件（感受磁场的能力）
选用迁移率高的半导体材料，在同样电场作用 下，漂移速度大，加磁场后载流子受到的洛伦磁 力大，霍耳效应明显。
英国剑桥大学的研究人员发现一种生产发光 二极管（LED）的新方法，他们说能在5年中 将LED产品的成本降低多达75%。氮化镓可能 是继硅之后最重要的半导体材料。它发出灿 烂的光，将是下一代能在高温下使用的高频 高能量晶体的关键材料。”剑桥大学氮化镓 和材料科学中心(CCGN)主任科林汉弗莱斯教 授说。
Semiconductor
Chapter Chapter2
Ⅴ族杂质在硅、锗中电离 时，能够释放电子而产生导 电电子并形成正电中心，称 为施主杂质或n型杂质。
导带电子
电离施主 P+
释放电子的过程叫做施主 电离；
施主杂质为电离时是中性 的，称为束缚态或中性态， 电离后成为正电中心年，称 为离化态。
(-) (-)
e- e- e- e-
(+)
eeeeee-
Hole conduction in p-type semiconductor
e- ee- ee- e-
eee-
(+)
Chapter Chapter2
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离
原子束缚后形成的准自由电子，对应于导带 中占据的电子
Semiconductor 四端元件
Chapter Chapter2
霍尔特斯拉计（高斯计）
磁铁
霍尔元件
Semiconductor
硅和锗——第一代半导体材料
相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石
结构，间接带隙半导体材料.
不同点：
室温本征电阻率 禁带宽度
硅 2.3×105Ω · cm 1.12 eV
大多数纯金属的导电系数 随温度升高而升高。
合金：向导电纯金属中加入其他金属元素所构成的导
电材料即为导电合金材料。此类导电材料经不同方法的 强化后，具有良好的导电性和高的机械强度、硬度、耐 蚀、耐磨、耐热等综合性能。如铜和铝的合金。 将两种或两种以上的金属通过一定的复合工艺制成 的导电材料即为复合导电金属。如铜包铝线、铝包铜线 等。此类导电材料有线、棒、板、片、管等各种型材。
材料(InxGa1-xN，AlxGa1-xN）等。
特点：
覆盖可见光及远紫外光的范 围，可以制成从红外到紫外 三种晶体结构：闪锌矿、纤锌矿和岩盐矿 的发光管或激光器，实现三 基色发光。 宽禁带半导体材料：
InN---1.9 eV，GaN---3.4 eV，AlN---6.2eV
用途：
晶体管、 发光管、激光二极管和光电探测器等器件
发光二极管、场效应晶体管等。
半绝缘砷化镓 分
类
低阻砷化镓
高温区：高于GaAs熔点，维持熔融状态；
低温区：防止As挥发损失；
中温区：调整固液界面附件温度梯度，并抑制石英舟污染
氮化镓——第三代半导体材料
氮化镓及其相关氮化物材料：
是指元素周期表中ⅢA族元素铝、镓、铟和Ⅴ族元素氮形
成的化合物(AlN、GaN、InN，)以及由它们组成的多元合金
单晶硅棒
(直拉法、区熔法)
• 扩散
• 注入
硅（111）晶面图
砷化镓——第二代半导体材料
特点： 化合物半导体，晶体结构是闪锌矿型，
禁带宽度为1.43 eV 容易制成半绝缘材料(电阻率107 ~ 109Ω·cm)
本征载流子浓度低
光电特性好 耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感
用途： 光电材料，适合于制造高频、高速的器件和电路，
由于n是一个非常大的数 值，能级又靠的很近，所 以每一个能带中的能级基 本上可视为连续的，或 “准连续能级”
N1022~1023/cm3
Semiconductor
GaN能带图
Chapter Chapter2
能带图可简化成:
电 子 能 量 禁带宽度
Ec
Eg Ev
Eg EC EV
Semiconductor
能级： 在孤立原子中，原子核外的电子按照一定